支持40 Gbit/s路由器的传输技术研究

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1、前言
　　近年来随着互联网的普及和各类业务的不断兴起，对路由器（尤其是核心路由器）的容量需求不断提高，单机640 Gbit/s容量的产品开始出现。而在实际运营网络（例如中国电信的ChinaNet）中，个别核心节点的容量需求已达Tbit/s量级。可以预见，核心路由器的容量还将保持持续增长的态势。
　　与容量的节节高升相匹配，核心路由器接口的高速化也是必然的发展趋势。目前的主流接口速率是10 Gbit/s，包括POS（OC-192/STM-64）和10GE。而40 Gbit/s是顺应接口高速化潮流的下一代接口速率，Cisco、Juniper等主流厂商已经宣称可以提供适用于其主流产品（Cisco CRS-1、Juniper T640）的40 Gbit/s接口模块。从2005年开始，他们与运营商和传输设备提供商合作，多次进行了在现网WDM传输系统中实现40 Gbit/s路由器互联传输实验。
　　核心路由器40 Gbit/s接口的应用对WDM传输网络提出了40 Gbit/s信号传输的需求，但是目前尚未形成一个完善的40 Gbit/s信号传输解决方案，极大影响了40 Gbit/s路由器的普及。本文将介绍用于支持40 Gbit/s信号的几种主要传输技术，并对它们的技术特点和发展趋势进行分析。
2、1×40 Gbit/s与4×10 Gbit/s的比较
　　首先来分析一下为什么高速接口是核心路由器发展的必然趋势，即1个40 Gbit/s接口与4个10 Gbit/s接口相比较，具体有哪些优势。
　　通过增加路由器端口密度的方式，可以实现一块接口板上支持4个10 Gbit/s端口，从而实现单机框640 Gbit/s容量。但是这种方法只是借助工艺进步提高了设备集成度，对于核心路由模块来说，这些10 Gbit/s端口依旧是彼此独立的，需要处理的端口地址数目并没有减少。实际网络中某些核心节点之间的并联10 Gbit/s连接数目已经超过10个，这些并联接口之间不需要路由和交换功能，因此这部分交换能力被浪费了。
　　低速接口的最大弊病是由于并联连接数目增多带来的负载均衡问题。两点间存在多个并联连接，理想状况是这些连接均匀承载业务，但是在路由器内部，保证几个独立端口的负载均衡需要额外增加路由器核心处理模块的工作量。随着并联连接数目的增大，占用的核心路由模块处理能力呈指数增长，势必影响路由器性能。因此，从提高网络性能的角度出发，核心路由器高速接口相对于低速接口的优势是明显的。
　　2004年11月，知名行业网站LightReading（www.1ightreading.com）组织了40 Gbit/s路由器的测试，具体测试工作在欧洲先进网络测试中心（European advanced networking text center，EANTC）进行。该测试邀请了Cisco、Juniper、Avici等主流路由器厂商，但是最后参加测试的只有Cisco，测试验证了配备40 Gbit/s接口的CRS-1路由器的性能和可扩展性[1]。
3、40 Gbit/s WDM传输技术
　　支持40 Gbit/s路由器的最佳传输方案当然是40 Gbit/s WDM传输技术，如图1所示。但是商用40 Gbit/s WDM系统始终“尤抱琵琶半遮面”，迟迟不能出现在大众面前。这里面有技术的原因，更重要的是成本因素。

图1　40 Gbit/s WDM传输系统

　　首先从技术角度分析40 Gbit/s WDM传输技术的实现难度。40 Gbit/s信号的传输面临着光信噪比（OSNR）、色散、偏振模色散（PMD）、非线性等诸多限制因素。NRZ码型的40 Gbit/s信号为达到同样的误码率（BER），其OSNR容限要比同码型的10 Gbit/s信号高6 dB；40 Gbit/s信号的色散和PMD受限距离分别只有10 Gbit/s信号的1/16。受非线性效应影响，40 Gbit/s信号最佳入纤功率明显低于10 Gbit/s信号，过低的信号功率不利于保证接收端OSNR。因此40 Gbit/s WDM系统遇到了远远超过10 Gbit/s系统的技术难题。
　　随着科研人员的不断努力，40 Gbit/s WDM传输技术的研发在最近几年获得了实质性进展。一系列新技术的应用，例如新型调制码型、增强型前向纠错（EFEC）、可调色散补偿（TDC）、拉曼（Raman）放大器等，有效保证了40 Gbit/s信号的传输。在100 GHz间隔（C波段40波）条件下，多个现场传输实验已经实现了40 Gbit/s信号1 000 km以上的传输[1-3]，验证了该技术的成熟性。借助一些特殊的码型，MCI和Mintera合作甚至实现了超过3 000 km的现网传输[2]。
　　目前在40 Gbit/s WDM技术方面领先的是两个新兴公司：Mintera和StrataLight，其40 Gbit/s WDM系统产品型号分别是MI 40000XS和OTS-4000。一些传统设备商也声称自己的产品支持40 Gbit/s速率，例如阿尔卡特的1626 Light Manager、朗讯的LambdaXtreme、西门子的SURPASS hiT 7500等。中国的华为、烽火通信、中兴通讯等厂商也都在积极进行相关产品的开发和推广。
　　中国电信积极关注40 Gbit/s WDM传输技术的发展，联合华为、烽火通信等设备厂商对40 Gbit/s WDM系统的性能和应用进行了深入理论和实验研究。从研究的结论来看，只要选用合适的光纤（PMD系数在0.1 ps/km1/2以内），目前信道间隔100 GHz、传输距离1 000 km以内的40 Gbit/s WDM传输技术已经成熟，如果光纤损耗和跨距合适，可以不使用拉曼放大器。
　　由于目前40 Gbit/s业务需求还没有形成规模效应，因此新建N×40 Gbit/s WDM传输网络是不现实的。为了支持40 Gbit/s信号在现网中的传输，最可行的方案是在现有10 Gbit/s WDM系统中开通若干个40 Gbit/s速率波长通道，称为10/40 Gbit/s混传技术（见图2）。各大设备商和运营商都给予该项技术极大的关注，无论是美国的MCI[3]、AT&T[4]，欧洲DT（德国电信）还是中国的中国电信、中国教育科研网，无一例外都是采用混传模式进行40 Gbit/s WDM传输实验，包括2005年底建成的中国电信上海-杭州40 Gbit/s WDM实验传输系统。

图2　10/40 Gbit/s混传技术

　　10/40 Gbit/s混传技术面临的挑战是50 GHz间隔的40 Gbit/s信号传输。由于近几年新建了大量50 GHz间隔（C波段80波）的10 Gbit/s WDM系统，混传模式的应用必然要求在这些系统上开通40 Gbit/s波长信道。这是一个极大的挑战，因为50 GHz间隔的40 Gbit/s WDM系统频谱利用率高达80%，滤波效应、非线性效应等不利因素的影响将极大限制系统传输性能。研究表明，采用CSRZ码型，50 GHz间隔系统中40 Gbit/s信号的ONSR容限比100 GHz间隔系统中要高约2 dB；而且对OTU和滤波器件的波长稳定性提出了更严格的要求，中心波长偏移超过0.02 nm就会带来约1 dB的滤波代价。作者在实验中利用CSRZ码实现了现网配置条件下50 GHz间隔40 Gbit/s WDM系统约400 km的有效传输，但是要真正实现超长距（ULH）传输，需要一些新型码型的应用，例如PSBT码、DPSK码、DRZ码等。
　　目前影响40 Gbit/s WDM传输系统商用的根本因素是成本，虽然一些设备商的报价可以做到1个40 Gbit/s OTU低于4个10 Gbit/s OUT，但是由于尚未形成规模效应，40 Gbit/s OTU的实际成本还是远远高于10 Gbit/s OTU。根据经验，只有当40 Gbit/s OTU与10 Gbit/s OTU成本比例达到2.5:1，才是WDM系统全面进入40 Gbit/s时代的标志。
4、4×10 Gbit/s反向复用技术
　　既然40 Gbit/s WDM传输技术无论是技术实现还是成本因素都存在如此多的限制，那么为何不能另辟捷径在10 Gbit/s WDM系统上实现40 Gbit/s信号的传输呢?这个思路就是使用40 Gbit/s→4×10 Gbit/s反向复用（IMUX）技术。
　　顾名思义，反向复用指的是在发送端将一路高速率信号解复用成为若干路低速率信号，经过低速率的传输系统的传输后，在接收端将多路低速率信号复用成一路高速率信号。这与常用的复用技术正好相反，所以称为反向复用。IMUX的思想很早就出现了，10/100 Mbit/s以太网业务通过N个E1链路进行传输的反向复用技术已经得到了广泛应用。低速IMUX技术的实现并不复杂，但是不能因此低估了高速IMUX技术的实现难度，实际上目前40 Gbit/s IMUX技术的实现难度甚至大于40 Gbit/s WDM技术。
　　40 Gbit/s IMUX技术的最大优点是不需要对现有10 Gbit/s WDM系统进行任何改造，即可实现对40 Gbit/s业务传输的支持。现网中核心路由器之间一般直接通过WDM系统的波长信道相连接。在这种网络架构下，40 Gbit/s IMUX可以在两个位置实现：第一个位置是路由器接口，即路由器接口板对内（核心路由模块）提供40 Gbit/s接口，对外提供4个10 Gbit/s接口，IMUX功能在路由器接口板上实现，如图3所示；第二个位置是WDM设备业务侧接口，即OTU业务侧提供一个40 Gbit/s接口完成与路由器40 Gbit/s接口的对接，波分侧用4个10 Gbit/s接口进行传输，IMUX功能在WDM设备OTU板上实现，如图4所示。

图3　在路由器接口处实现40 Gbit/s IMUX

图4　在波分设备处实现40 Gbit/s IMUX

　　目前1个40 Gbit/s接口的成本远高于4个10 Gbit/s接口，第一种方式具有成本优势，因为它的40 Gbit/s高速处理部分集成在了路由器内部，设备之间不需要真正的40 Gbit/s互联。当1个40 Gbit/s接口成本已经低于4个10 Gbit/s接口时，两种方式的成本比较将逆转，当然此时40 Gbit/s WDM技术的性价比可能早已达到了大规模商用的水平。
　　40 Gbit/s IMUX技术虽然从思路上并不复杂，但是目前还没有成熟的商用芯片可以提供，最大的技术难点是高速缓存器。高速缓存器在IMUX系统是必不可少的功能模块，无论是40 Gbit/s信号的解复用还是10 Gbit/s信号的复用，都需要通过其进行调整。特别是10 Gbit/s信号的复用过程中，高速缓存器的缓冲和调整作用是解决各路信号不同步问题的关键。在40 Gbit/s IMUX系统中，信号要求以40 Gbit/s的速率进行存取，这对高速缓存器来说是一个极大的技术挑战。目前40 Gbit/s IMUX技术的发展还不是很成熟，尚未见到商用或者现网实验的报道，从这一点上来说，其成熟度还不如40 Gbit/s WDM技术。
　　虽然40 Gbit/s IMUX技术可以不对现有10 Gbit/s WDM系统进行任何改造即可实现对40 Gbit/s路由器的传输支持，但是实际应用中它对10 Gbit/s信道是有严格要求的，特别是对4个10 Gbit/s信道传输延时的一致性有着严格要求。
5、结语
　　核心路由器容量的海量化和接口的高速化已经成为不可逆转的发展趋势，而40 Gbit/s正是核心路由器的下一代接口速率。目前的WDM传输系统无法有效支持40 Gbit/s信号传输已经成为制约核心路由器40 Gbit/s接口大规模应用的根本因素。
　　理论研究和现网实验表明，10/40 Gbit/s混传WDM传输技术已经基本成熟，在100 GHz间隔、1 000 km以内、选用PMD系数满足要求的光纤等限制条件下，已经达到了实用水平。但是由于没有形成规模效应，成本劣势限制了其大规模商用。
　　40 Gbit/s IMUX技术较好地解决了通过现有10 Gbit/s WDM系统支持40 Gbit/s信号传输的难题，在40 Gbit/s WDM技术无法大规模应用的现状下，是一种非常具有可行性的过渡方案。但是高速缓存器等技术难题使得40 Gbit/s IMUX技术尚处在“看上去很美”的阶段，尚未出现业界公认的商用或者现网实验。
　　综上所述，彻底解决40 Gbit/s信号的传输问题还有待时日，可能的解决方案发展路线如下所述：10/40 Gbit/s混传技术可以在一些满足使用条件的线路上首先得到应用。40 Gbit/s IMUX技术一旦成熟，可以基于现有10 Gbit/s WDM系统，提供限制条件更为宽松的40 Gbit/s信号传输解决方案。但是40 Gbit/s IMUX只是一种过渡技术，形成规模效应的40 Gbit/s WDM系统将是解决40 Gbit/s信号传输问题的最终解决方案。
　　参考文献
　　1　40-Gig router test results，http://www.1ightreading.com/document.asp? site=lightreading＆doe_id=63606，November 2004
　　2　MCI records another industry first by advancing 40Gbps technology，http：//www.mintera.com/NEWSARTICLES/12-12-05.htm
　　3　Chen D Z，Wellbrock G，Penticost S J，et al.World’s first 40 Gbps overlay on a field-deployed，10 Gbps，mixed-fiber，1200 km，ultra long-haul system.In：OFC2005，OTuH4，Anaheim，CA，March 2006
　　4　Birk M, Skolnick C, Curto B, et al．Field trial of a 40 Gbit/s PSBT channel upgrade to an installed 1700 km 10 Gbit/s system. In：OFC2005，OTuH3.Anaheim.CA.March 2006